transmissÃo de dados usando a rede elÉtrica no contexto de ... · sidenciais, comerciais ou...

TRANSMISSÃO DE DADOS USANDO A REDE ELÉTRICA NO CONTEXTO DE REDES SMART GRIDS E MICRO-REDES

ALAN PETRÔNIO PINHEIRO, JÚLIO CÉZAR COELHO, FELIPE A. M. CORRÊA

Laboratório LaPSE, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, campus Patos de Minas.

Av. Getúlio Vargas, 230 Patos de Minas, MG, BR

E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract With the advance of smart grids, advanced metering systems and sensor grid, the PLC has raising and obtained

importance in the technical literature and the telecommunications market. PLC covers applications since simply data transmis-

sion in metering system or control systems, until advanced communications systems involving broadband like the internet. This

paper describes and makes a revision about PLC terms, technologies, concepts and standards involving this nonconventional

data transmission method. At the end of the text, it is proposed a electronic design of a transmitter/receiver of a narrowband PLC

based on FSK modulation. This circuit may be used in power system operation (smart grids), metering systems, process monitor-

ing, smart meters and many others applications.

Keywords power line communications, data transmission, advanced metering infrastructure, physical transmission.

Resumo Com o advento das redes smart grids e micro-redes, a tecnologia de comunicação de dados PLC tem ganhado cada

vez mais destaque em aplicações que vão desde uma simples infraestrutura de comunicação para sistemas de monitoramento e

controle residencial/industrial, até serviços de internet de banda larga. Este artigo descreve e faz uma revisão de alguns dos as-

pectos mais relevantes desta tecnologia, terminologias e padrões. Ao final, também apresenta o projeto de um transceptor de da-

dos PLC de banda estreita capaz de transmitir sinais digitais usando modulação FSK em uma rede elétrica convencional e que

pode ser usado para aplicações na área de energia (smart grids), controle e automação incluindo sistemas automatizados de me-

dição.

Palavras-chave power line communication, transmissão de dados, redes de sensores, sistemas medição automatizados.

1 - Introdução

A tecnologia de transmissão de dados através da

rede elétrica, comumente conhecida como PLC (po-

wer line communication), é uma ideia antiga que foi

fomentada por décadas. Seu principal apelo advém

da possibilidade de compartilhar a estrutura de cabe-

amento da rede elétrica convencional com a transmis-

são de dados evitando assim a necessidade de uma

nova estrutura física guiada para transmitir estes si-

nais. Embora apelativa, o surgimento de novas tecno-

logias de transmissão sem fio de baixo custo mostra-

ram-se mais promissoras do que a tecnologia PLC.

Ainda, a grande complexidade envolvida no processo

de transmissão de dados via rede elétrica dificultaram

a maturidade da transmissão PLC. Segundo Zim-

mermann e Dostert (2002), a transmissão PLC é ge-

ralmente mais desafiadora do que as tecnologias con-

vencionais. Isto porque (i) a fiação da rede elétrica

não foi projetada para transmitir dados; (ii) é ampla-

mente contaminada por diferentes ruídos e (iii) apre-

senta grande flutuações em suas características

elétricas (principalmente sua impedância) que têm

influência direta na qualidade da transmissão.

Com o sucesso da rede de computadores, a ten-

dência de se ligar dispositivos em rede e a demanda

crescente de energia, os setores elétrico e de teleco-

municações se uniram na a ideia de smart grids (A-

min e Wollenberg, 2005). Embora seja um conceito

ainda em construção, as smart grids visam interligar

por uma rede de dados todas as etapas do processo de

geração, transmissão, distribuição e consumo em

tempo real. Assim, usinas geradoras, linhas de trans-

missão, centrais de distribuição e consumidores (re-

sidenciais, comerciais ou industriais) trocariam in-

formações entre si visando dar ao sistema elétrico (e

ao seu operador) maior flexibilidade e integração. A

Figura 1a ilustra o conceito.

Uma rede smart grid tem tecnicamente uma

grande amplitude e reúne uma série de outras redes

menores e locais (a exemplo da internet) que são in-

terligadas. Estas redes menores tem geralmente o

alcance de uma casa, comércio ou indústria e coletam

dados de consumo e parâmetros elétricos através de

sensores e os enviam a uma central local. Esta última

tem o controle de todo o consumo e dos dispositivos

elétricos ligado à rede sob seu alcance direto. A Figu-

ra 1b ilustra este esquema. A rede local, também

chamada de AMI (advanced metering infrastructure)

(Cunjiang et. al, 2012), é um dos muitos recursos que

compõem a smart grid e a alimenta com dados. Em

uma visão futura, cada casa, residência e industria

possuirá uma rede AMI local que enviará seus dados

- adquiridos por sua rede de sensores ao centro de

operações.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

2740

Com o surgimento das smart grids, a comunica-

ção PLC ganhou novo impulso e tem sido considera-

da seu cerne tecnológico devido a sua intrínseca rela-

ção entre transmissão de dados e a rede elétrica. Ao

mesmo tempo, a PLC também surge como forte al-

ternativa de comunicação para redes industriais, re-

des de sensores e similares (Gungor e Lambert,

2006). Analisando todas estas possibilidades, uma

série de órgãos reguladores, empresas do setor tecno-

lógico, entidades de classe e governos tem se esfor-

çado para definir diferentes padrões de comunicação

PLC.

Neste contexto, este trabalho tem por objetivo

fazer uma compilação dos aspectos mais relevantes

da tecnologia PLC destacando os principais amadu-

recimentos tecnológicos e científicos que esta tecno-

logia vem sofrendo a fim de auxiliar o entendimento

deste desafiador modo de transmissão de dados.

Terminologias, padrões e conceitos básicos são apre-

sentados e discutidos ao longo do texto. Por fim, na

última seção deste trabalho, os autores apresentam

um projeto de transmissor e receptor PLC em banda

estreita capaz de transmitir sinais em uma rede elétri-

ca residencial.

2 - Aspectos gerais da tecnologia PLC

Na comunicação de dados, uma das questões

mais importantes diz respeito as frequências utiliza-

das para estabelecer uma comunicação. Em teleco-

municações, a frequência de um sinal é usada como

um meio de transporte de uma informação. Os valo-

res destas frequências são determinados por dois fa-

tores: questões físicas do meio de condução do sinal

e questões legais que remetem a uma legislação espe-

cífica. As questões físicas referem-se a atenuação do

sinal, alcance, facilidade de condução, ruídos etc. Já

questões legais são imposições definidas por órgãos

reguladores através de normas e padrões que visam

regulamentar as atividades de comunicação em um

meio para garantir que seu espectro seja compartilha-

do por outros equipamentos assegurando que diferen-

tes dispositivos possam trocar informações entre si.

Neste sentido, a tecnologia PLC é subdividida

em duas categorias no que diz respeito ao uso da fre-

quência: transmissão em banda estreita (NPLC - nar-

rowband power line communication) e em banda

larga (BPLC - broadband power line communicati-

on). A tecnologia PLC pode também ser subdividida

em duas categorias relativas aos níveis de tensão pre-

sentes na rede que são de baixa tensão (LVPLC - low

voltage power line communication) e média tensão

(MVPLC - medium voltage power line communicati-

on).

A tecnologia PLC de banda estreita é uma das

mais usadas para transmissões que não exigem o trá-

fego de muitos dados e tem capacidade aproximada

de poucas dezenas de kbits. A especificação

EN50065 (CENELEC, 2001), muito usada na Euro-

pa, determina uma faixa de 3KHz a 148,5kHz em

baixa tensão. Já nos Estados Unidos, esta faixa varia

entre 9kHz a 490kHz. A tecnologia PLC banda larga

abrange frequências maiores e compreende o espec-

tro de 2MHz até 50MHz.

2.1 - Parâmetros elétricos de interesse

Em um processo de transmissão de dados, co-

nhecer o meio no qual o sinal será conduzido é um

processo importante para projetar e simular o enlace

de comunicação. No caso da tecnologia PLC, o meio

de condução são os fios da rede elétrica que também

são usados para conduzir energia elétrica e não foram

originalmente projetados para transmissão de dados.

Por isto, este compartilhamento é muitas vezes crítico

e os principais parâmetros elétricos que podem ser

medidos para caracterizar o meio de transmissão são

a impedância da linha, níveis de ruído, atenuação,

perdas eletromagnéticas, atraso de sinal, interferência

cruzada (cross talk) dentre outros. Todos estes parâ-

metros produzem informações que, quando utilizadas

por técnicas de processamento estatístico e modela-

mento, produzem um modelo genérico do meio de

transmissão. Por isto, estas medidas são importantes

e devem ser feitas em diferentes pontos da rede, em

diferentes tempos (para uma análise temporal do

comportamento da rede que é influenciada pelo com-

(a) (b)

Figura 1. (a) Figura ilustrativa de uma smart grid interligando desde o processo de geração de energia até o consumo de forma integrada

onde todos os elementos interligados à rede elétrica passam também a trocar dados entre si. (b) Exemplo de um sistema AMI residencial que

monitora continuamente os equipamentos elétricos de uma rede usando tecnologia PLC. Os dados da rede de sensores são reunidos e pro-

cessados por uma central de controle na residência que se comunicará diretamente com o centro de operações visto em (a).


2741

portamento humano no uso dos equipamentos elétri-

cos ligados à rede) e em variadas frequências.

No caso da PLC, a impedância da linha de

transmissão do sinal (e.g., fio elétrico) é uma das

mais importantes características e tem forte influência

no alcance da transmissão. Alguns autores (Cavdar e

Karadeniz, 2008) veem propondo um método próprio

para medir valores de impedância na rede. Como esta

rede elétrica é usada aperiodicamente por muitos

equipamentos, a impedância é um parâmetro que

sofre grandes variações sendo esta uma das principais

dificuldades da transmissão PLC. Assim, o transmis-

sor PLC tem que dinamicamente se adaptar a estas

variações da impedância da rede para manter seu

alcance de transmissão relativamente inalterado. Ge-

ralmente, a faixa de variação da impedância da rede

elétrica varia de 1 a 20Ω para a transmissão NPLC.

Outro parâmetro muito importante para avalia-

ção de uma transmissão é a análise do ruído na rede.

Este ruído é gerado devido a operação de diferentes

equipamentos elétricos ligados à rede. Pode-se citar,

como exemplo, motores elétricos, lâmpadas com rea-

tores eletrônicos, ar-condicionado, fontes de alimen-

tação elétricas chaveadas e inúmeros equipamentos

eletrodomésticos. A avaliação do espectro deste ruí-

do dá uma boa ideia de seu comportamento e permite

ao projeto do transmissor-receptor trabalharem em

uma faixa menos contaminada melhorando a relação

sinal-ruído da comunicação. Uma avaliação completa

também deve considerar uma análise no tempo já que

muitos dos equipamentos responsáveis por gerar este

ruído não tem uso contínuo. A atenuação é outro parâmetro da rede que tem

influência direta no desempenho da comunicação e

indica o esvanecimento do sinal no decorrer do per-

curso entre um transmissor e um receptor. Por isto,

ele é um parâmetro que deve ser medido entre dois

pontos da rede. Para medir a atenuação, deve-se li-

gar à rede um transmissor de potência conhecida e

em outro ponto medir a potência do sinal que chega.

A razão entre estas duas medidas, expressas em dB,

indica a taxa de atenuação do sinal.

Outro fator importante remete às perdas eletro-

magnéticas nas linhas de transmissão que convertem

parte da energia injetada na linha em radiação ele-

tromagnética. Este problema pode ser maior quando

se trabalha em maiores frequências. A interferência

cruzada (ou cross talk) é também outro fenômeno

indesejado que pode ser visto na rede elétrica. Este

efeito acontece quando a energia de uma linha influ-

encia outra linha próxima através de efeitos eletro-

magnéticos. Ou ainda, quando os sinais elétricos de

uma transmissão PLC de uma rede chegam de forma

indesejada a outra rede (já que a rede elétrica é toda

interligada) e atrapalham o funcionamento desta úl-

tima gerando interferências nesta.

2.2 - Transmissão em banda larga e estreita

A transmissão em banda larga (BPLC) em baixa

tensão (127/220V) geralmente usa frequências na

ordem de MHz. A atenuação da rede geralmente au-

menta com o incremento da frequência tendo assim o

comportamento de um filtro passa-baixas. Isto por-

que a rede elétrica foi projetada para conduzir sinais

de baixa frequência (i.e., 50-60Hz). Em frequências

acima de 2 MHz, as perdas dielétricas são as domi-

nantes.

A BPLC compreende uma larga faixa de fre-

quência que é muito influenciada por diferentes fon-

tes de ruído que exercem uma das mais fortes influ-

ências na qualidade da transmissão. O ruído impulsi-

vo é um dos tipos de ruído mais presentes na BPLC.

Ele é causado por chaveamentos contínuos de equi-

pamentos elétricos e fontes de alimentação chavea-

das. Já os ruídos impulsivos não-cíclicos, muito simi-

lar ao ruído anteriormente mencionado, é também um

forte componente de ruído presente na rede. Ele não

é periódico e geralmente é causado pelo ligamen-

to/desligamento de aparelhos elétricos aleatoriamen-

te, lâmpadas e fenômenos transitórios.

A atenuação de um canal em BPLC, especial-

mente em ambientes domésticos, é mais influenciado

pela distância do que pela frequência. Geralmente, o

fator que determina uma maior atenuação está ligado

à estrutura (i.e. topologia) e complexidade da rede

(número de ramificações, por exemplo). Ainda, as

redes domésticas são geralmente mais poluídas por

ruído por estarem próximas das fontes que geram

estes ruídos. Os ruídos gerados por equipamentos

domésticos geralmente diminuem com o aumento da

frequência.

Uma das técnicas de modulação mais usadas pa-

ra BPLC é a OFDM (orthogonal frequency-division

multiplexing) onde múltiplos sinais são enviados em

diferentes frequências. Esta técnica possibilita a

transmissão de grande quantidade de informação no

canal além de apresentar ótima resistência à interfe-

rência por ruídos. Por isto, redes BPLC conseguem

taxas de transmissão que alcançam a ordem de Mb/s.

As principais padronizações BPLC são a IEEE

P1901 (HomePlug/Panasonic), que prevê uma rede

de alta velocidade (>100 Mbit/s) em frequências a-

baixo de 100MHz, e a G.hn da (ITU - International

Telecommunication Union).

Na transmissão em banda estreita (NPLC) em

baixa tensão (127/220V), a topologia da rede é o

elemento que mais tem influência em sua transmis-

são. É muito comum encontrar redes com topologia

de barramento, anel, estrela e similares. Contudo, em

ambientes reais, o mais comum é encontrar redes

com uma combinação destas topologias gerando uma

topologia mista similar a configuração mesh. A im-

pedância da rede também é muito importante porque

ela deve determinar a impedância de saída do trans-

missor NPLC. Por ter uma banda estreita e frequên-

cias mais baixas do que a BPLC, os ruídos são mais

presentes e dificultam a comunicação. Por isto, é

comum em redes NPLC a presença de repetidores (ou


2742

concentradores) para reforçar o sinal da rede entre

um transmissor e um receptor. O padrão EN55022

determina os níveis máximos de potência de um sinal

PLC em um canal NPLC. Vale destacar que parte da

energia injetada é transformada em radiação eletro-

magnética e por isto deve haver limitações.

Na NPLC, a atenuação também cresce com a

frequência. Destaca-se, contudo, que em casos espe-

cíficos a atenuação pode ser muito alta em baixas

frequências devido a conexão de muitos equipamen-

tos de baixa impedância à rede.

Figura 2. Modulação FSK. Os bits 1 e 0 podem ter suas frequên-

cias controladas dentro da faixa de 3kHz até 148,5kHz na NPLC.

Contudo, a distância mínima em frequência destes bits deve ser de

pelo menos 10kHz.

Na transmissão NPLC, o tipo de modulação mais

usado é a FSK (frequency shift keying) ou alguma de

suas derivadas. A Figura 2 ilustra este tipo de modu-

lação digital. A sincronização de bits entre receptor e

transmissor na transmissão NPLC é ilustrada na Figu-

ra 3. Nota-se que o transmissor usa a própria rede

elétrica (cruzamentos do sinal de 60Hz por zero) para

retirar uma constante de tempo do próprio sistema de

energia elétrica e enviar uma certa quantidade de bits

neste intervalo.

Figura 3. Sincronização de bits entre receptor e transmissor na

modulação FSK. Neste exemplo, entre um cruzamento por zero e

outro, o receptor envia 12 bits. Em uma rede de 60Hz, a taxa de

transmissão pode chegar a 1,4kb/s. É possível também enviar

48bits por ciclo gerando uma transmissão de 2,8kb/s.

Uma comparação entre a BPLC e NPLC revela

que a principal diferença entre estas duas formas de

transmissão PLC estão vinculadas à (i) faixa de fre-

quências usadas sendo estas maiores na BPLC; (ii)

capacidade de transmissão de informação do canal

que é maior na BPLC; (iii) níveis de potência; (iv)

atenuação do sinal que também é maior na BPLC e

(v) técnicas de modulação que geralmente são mais

complexas na BPLC para aproveitar de melhor forma

sua ampla faixa de frequências.

No que diz respeito à padronização NPLC,

pode-se destacar o padrão IEC 61334-5 que é dividi-

do em cinco partes que especificam diferentes técni-

cas de modulação. O padrão 61334-5-1, por exem-

plo, especifica uma modulação S-FSK sendo esta

uma das mais comuns para sistemas NPLC. É tam-

bém definido um padrão de pacote com bits de pré-

âmbulo voltados para a sincronização da comunica-

ção, vários serviços de comunicação, meios de acesso

ao canal, métodos de checagem de erro e um modelo

de comunicação mestre-escravo descrito na seção 3.3

deste artigo.

A norma CENELEC EN50065 é voltada para

regulamentação para sistemas AMI usando NPLC.

Ela é especialmente difundida na Europa e prevê

requisitos para comunicação de diferentes dispositi-

vos em suas bandas, especialmente as de 3kHz a

148,5kHz. Esta faixa é subdividida em quatro sub-

bandas (A=[3-95kHz]; B=[95-125kHz]; C=[125-

140kHz]; D=[140-148,5kHz]) para aplicações espe-

cíficas onde também são especificadas as regras ge-

rais de transmissão, compatibilidade eletromagnética,

requerimentos de impedância, níveis de potência,

acoplamento, filtragem, etc.

3 - Transmissão de dados via PLC

Uma transmissão de dados confiável e bem pro-

jetada envolve diversas etapas ou fases onde cada

uma delas tem funções muito bem definidas. O obje-

tivo principal é assegurar a correta transmissão de

dados em um cenário complexo de inúmeras possibi-

lidades. Este processo pode ser entendido em partes

específicas. Um modelo de referência amplamente

difundido é o OSI (open system interconnection) que

divide o processo de transmissão de dados em sete

camadas (ver Figura 4a). De forma resumida, cada

camada tem uma determinada função específica na

comunicação confiável de dados.

Figura 4. (a) Modelo OSI de camadas para transmissão de dados.

(b) Modelo de camadas simplificado sugerido pelo padrão IEC

61334 para aplicações smart grids e AMI onde a tecnologia PLC

representa a camada física.


2743

A comunicação PLC propriamente dita é apenas

um meio de transferência de bits entre um transmis-

sor e receptor estando ela mais relacionada à camada

física do modelo de referência da Figura 4a. Note que

no modelo idealizado, um transmissor e receptor es-

tão diretamente ligados pela camada física que no

caso da tecnologia PLC são os fios da rede elétrica.

Quando os bits chegam da rede elétrica e são

processados pela camada física, que implementa a

técnica de comunição PLC, estes bits recebidos e

identificados na rede elétrica tem que ser repassados

para as camadas superiores para que elas possam

verificar se estes bits recebidos chegaram sem erros,

se estão na ordem correta, o que representam, como

devem ser processados, etc.

Apesar da sofisticação do modelo OSI de sete

camadas, nem toda transmissão necessita de todas

suas funções. Muitas das camadas podem ser supri-

midas para facilitar o projeto de transmissão e recep-

ção de dados. Contudo, esta simplificação depende

dos requerimentos do projeto para o qual a comuni-

cação PLC servirá de meio de transporte de bits. Em

sistemas AMI a transmissão de dados é geralmente

resumida ao que se vê na Figura 4b.

Na camada de enlace de dados do modelo da

Figura 4b, são executados os protocolos LLC (logical

link control) que controlam o fluxo de mensagens da

rede e o MAC (media access control) que provê me-

canismos de endereçamento de dados na rede. Cabe a

camada física PLC enviar e receber bits da rede, fil-

trar sinais, possuir uma interface elétrica com a rede,

codificar eletricamente sinais (modulação) para que

possam ser injetados na rede. Contudo, ela também

pode ter partes implementas por software. As próxi-

mas seções descrevem as características de hardwa-

re e software utilizadas para implementação de uma

interface física PLC.

3.1 - Hardware

A rede elétrica foi originalmente projetada para

prover constantemente centenas de volts (a baixa

frequência) aos dispositivos nela conectados. Por

outro lado, o sinal de PLC é somado ao sinal da rede

ainda que ele possua apenas alguns poucos milivolts

e uma frequência que varia de alguns dezenas de kHz

até MHz. Isto exige que o circuito de transmissão e

recepção de dados PLC, aqui denominado de trans-ceptor (transmissor e receptor de dados) ou modem

(modulador-demodulador), uma capacidade de sepa-

rar o sinal de comunicação do sinal de potência. De-

ve ainda ter proteção contra estas altas tensões e ser

capaz de injetar valores adequados de corrente e ten-

são na rede apesar de suas grandes flutuações.

Para atender a estas questões, o circuito de um

transceptor PLC deve possuir uma interface de aco-

plamento à rede comumente denominada de analog

front-end (AFE). O AFE pode ser subdividido em

duas partes: circuito de recepção de sinais e circuito

de transmissão. A parte de recepção deve possuir

basicamente um filtro adaptativo passa-banda sinto-

nizado na frequência de transmissão de dados que

permita a passagem da máxima energia possível do

espectro que faz parte da banda de transmissão PLC.

As outras faixas de frequência devem ser atenuadas

ao máximo possível. Já a segunda parte do AFE deve

cuidar do envio de sinais para a rede elétrica. Para

isto ele deve ter um circuito capaz de amplificar o

sinal FSK gerado para injetá-lo na rede. Vale desta-

car que, geralmente, a transmissão PLC em banda

estreita (NPLC) o canal é half-duplex o que implica

dizer que os dados não podem ser transmitidos e re-

cebidos ao mesmo tempo.

O projeto de um AFE deve também apresentar

em um de seus primeiros estágios um transformador

(especialmente projetado para conduzir sinais PLC)

para isolar eletricamente os circuitos de transmissão e

recepção do AFE além de diodos supressores de ten-

são para proteger o circuito de surtos. Capacitores

também são empregados para acoplamento do AFE à

rede. Os níveis de tensão e corrente que podem ser

injetados pelo transceptor PLC na rede para transmis-

são determinados pelo padrão CENELEC. Outro

problema, essencialmente ligado ao circuito trans-

missor da AFE que injeta sinais na rede, é a variação

da impedância da rede. Assim, uma parte do trans-

ceptor PLC deve passar boa parte do tempo reconfi-

gurando o amplificador do AFE para lidar com im-

pedâncias muito baixas que acabam gerando a neces-

sidade de prover uma alta corrente. Isto geralmente é

conseguido com um circuito integrado de ganho pro-

gramável.

3.2 - Software

O software geralmente está associado a assuntos

vinculados à modulação e a tamanho de pacotes de

dados. Ambos são geralmente feitos por um progra-

ma dedicado executado por um microcontrolador

especialmente projetado para este propósito específi-

co com circuito de modulação integrado.

A versatilidade da modulação é conseguida atra-

vés da programação que permite a um microcontro-

lador dedicado mudar sua frequência fundamental

buscando faixas menos contaminadas por ruído. Des-

ta forma, a banda de transmissão é configurável as-

sim como a taxa de transmissão de bits. Estas versati-

lidades permitem ao software da camada de enlace

(ver Figura 4b) controlar melhor a qualidade da

transmissão negociando dinamicamente a banda que

oferece melhor tráfego.

Outro aspecto vinculado ao software no projeto

de um transceptor PLC está no tamanho dos pacotes.

As camadas inferiores recebem das camadas superio-

res mensagens para serem enviadas. Contudo, geral-

mente estas mensagens são grandes e por isto preci-

sam ser quebradas em pedaços menores conhecidos

como "pacotes". Um pacote não transmite só dados

da aplicação. Ele pode também transmitir informa-

ções vitais para se estabelecer uma comunicação en-


2744

tre transmissor e receptor. Por exemplo, os pacotes

iniciais de uma transmissão indicam a taxa de bits da

transmissão e informações de sincronismo. Esta pri-

meira parte deve ser transmitida com redundância a

baixa velocidade para garantir que chegue ao seu

destino e a conexão possa ser estabelecida. Uma vez

sincronizada e configurada, os dados são transmitidos

através de pacotes até que toda a mensagem seja en-

viada e tenha seu reconhecimento assegurado por

algum tipo e protocolo específico (por exemplo, o

TCP) também implementado por software.

3.3 - Configuração de uma rede PLC

Independente da arquitetura da rede, um sistema

PLC com aplicações voltadas às smart grids (ou sis-

temas AMI), micro-redes e afins geralmente apresen-

tam dois tipos de dispositivos: a unidade central (CU

- central unit ou initiator) e unidades remotas (RU -

remote unit ou remote node). Estas nomenclaturas

podem variar amplamente. Contudo, seus significa-

dos e funções em uma rede mantêm-se. Na ilustração

da Figura 1b (modelo de um sistema AMI), a 'central

de controle' faz o papel de uma CU e os sensores de

unidades RU pois eles são ligados à transceptores

PLC que enviam à central a informação lida para que

ela tome alguma providência.

Figura 5. Ilustração de uma rede PLC com várias RU coordenadas

por uma CU em uma arquitetura mista. Algumas destas RUs

podem funcionar como repetidores de sinal para que a CU possa

alcançar algumas unidades RU mais distantes aumentando o al-

cance da rede.

Os RU estão distribuídos ao longo da rede elé-

trica executando as aplicações da rede. Eles também

podem agir como dispositivos repetidores para refor-

çar o sinal PLC da rede. Todos RUs são coordenados

por uma CU com uma configuração similar a mestre-

escravo. A Figura 5 ilustra um exemplo de rede PLC

em arquitetura mista onde uma central coordena toda

troca de informação da rede e os RUs executam a

funcionalidade da rede. Como mencionado, alguns

deles podem funcionar como repetidores para aumen-

tar o alcance da rede e fazer com que RUs mais dis-

tantes consigam comunicar com a central (o sinal

PLC é limitado em potência para atender especifica-

ções e assegurar compatibilidade eletromagnética de

toda rede elétrica e por isto tem alcance limitado).

Este papel duplo permite estender o raio de ação do

sinal PLC e apresenta um comportamento similar ao

visto em redes de arquitetura mesh.

A unidade central da rede PLC, por assumir um

papel de mestre, coleta dados continuamente de suas

RUs. Esta coleta é feita através do roteamento das

mensagens que são trocadas na rede. As redes PLC

com aplicações na área de smart grids e controle

geralmente suportam os seguintes tipos de roteamen-

to de mensagens:

• ponto a ponto com conexão diretamente entre a

central e uma unidade remota;

• ponto a múltiplos pontos com conexão direta

entre a central e um grupo de unidades remotas;

• ponto a ponto com comunicação indireta entre a

central e uma unidade remota através de um re-

petidor;

• ponto a múltiplos com conexão indireta entre a

central e um grupo de unidades remotas utili-

zando um ou mais repetidores;

• conexão ponto a ponto entre duas unidades re-

motas diretamente ou através de uma central.

No modelo de rede AMI, geralmente todo tráfe-

go é controlado pela unidade central. Assim, toda

troca de dados é iniciada pela central e somente a

unidade remota requisitada pela CU pode enviar uma

resposta à central. O tráfego do canal PLC é contro-

lado por um sistema de multiplexação de divisão no

tempo (TDMA). Neste caso, a CU aloca um espaço

de tempo do canal (chamado de slot TDMA) para

cada um dos RU enviarem dados para a rede elétrica

sob a supervisão da central. Quando uma RU, ou

mesmo uma CU enviam dados para o canal, é neces-

sário um sistema de endereçamento de dispositivos

para viabilizar o envio das informações ao receptor

correto. Assim, cada elemento da rede possui um

endereço único do tipo MAC de 12 bits (ou algum

modelo próprio). Quando um novo RU é conectado à

rede, ele tem que ser registrado na central que deve

tomar seu conhecimento. Segundo o padrão IEC

61334-5-511, a central deve procurar constantemente

por novos RUs e uma vez identificados, deve dar um

endereço a este novo item conectado à rede.

4 - Projeto de um transceptor PLC

O projeto do cricuito eletrônico de um

transceptor PLC é mostrado na Figura 6. Nele é

indicado o AFE onde se pode ver um transformador

de isolação adequado para faixa de frequências PLC

em banda estreita. Neste caso, os filtros do AFE

foram projetados para trabalhar na banda A do

padrão CENELEC. O circuito integrado ST7570 é

usado para gerar sinais já modulados (em S-FSK)

para transmissão e recepção de sinais. A recepção

acontece no pino RX_IN que é ligado a um filtro


2745

passivo. A transmissão é feita pelo pino TX_OUT

que é ligado a um aplificador operacional de ganho

controlável que reforça o sinal para injetá-lo na rede.

Seu ganho é programável para reforçar o alcance da

rede de forma que não extrapole os limites de

potência permitidos para o sinal PLC e também possa

compensar as variações de impedância da linha.

Na Figura 6 é destacado o circuito de detecção

de cruzamento por zero para fazer a sincronização de

bits usando como referência o sinal de 60Hz como

exemplificou a Figura 3. Além disto, o ST7570 tem

uma interface serial que deve ser ligada a um

microcontrolador para que este possa indicar a este

modem PLC quais dados transmitir e como proceder

com os dados recebidos. Este microcontrolador deve

implementar as camadas 2 e 3 da Figura 4b. O

circuto é alimentado por dois tipos de fontes de

alimentação elétrica sendo uma essencialmente

empregada para alimentar a interface digital do

modem com o microcontrolador (3,3 ou 5V) e uma

segunda essencialmente analógica (na faixa de 8 a

18V) empregada para alimentar o AFE com uma

capacidade de corrente de até 1A para injeção de

dados na rede elétrica.

5 - Resultados e discussões

Para testar a transmissão PLC, foram usados dois

transceptores baseados no projeto descrito

anteriormente em uma residência convencional

distanciados entre si por 1m, 5m e 10m. Os testes

foram repetidos em duas circunstâncias: (i) uma

classificada como de "ruído baixo" onde os

principais equipamentos eletro-eletrônicos da

residência foram desligados e (ii) um segundo

cenário classificado como de "ruído médio" onde os

eletrodomésticos mais comuns (geladeira e

eletrônicos gerais) foram usados moderadamente

segundo a rotina da residência. O resultado da

relação sinal ruído (SNR - signal noise ratio) é

mostrado na Figura 7. Note que a modulação FSK

emprega diferentes frequências para transmitir o bit 0

e o bit 1. Por isto, é mostrado a SNR para a

frequência do bit 0 e a do bit 1 uma vez que o ruído

apresenta comportamento diferente para cada faixa

de frequência. A distância espectral entre estes dois

bits é de pelo menos 10kHz.

Durante os testes foi transmitido entre os

circuitos uma mensagem de 304 bits a uma taxa de

Figura 6. Projeto esquemático do circuito transmissor e receptor PLC usando o circuito integrado ST7570.


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2,4kbps. Dos 6 testes conduzidos, a taxa de erro de

bits se mostrou inferior a 5%. Pode-se notar que no

primeiro caso (ruído baixo), a SNR se manteve

praticamente constante tanto para a frequência de

transmissão do bit 0 quanto do bit 1 apesar do

aumento da distância entre o transmissor e o receptor.

Isto acontece porque o ST7570 tem uma lógica

interna que aumenta automaticamente o ganho do

aplificador operacional programável do AFE para

compensar o aumento da distância através do

incremento da potência do sinal injetado na rede

elétrica. Deste modo, tenta-se manter

aproximadamente constante a SNR e a qualidade da

transmissão.

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

Distância(m)

dB

SNR - ruído baixo

bit 0

bit1

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40SNR - ruído médio

Distância(m)

dB

Figura 7. Gráfico da SNR para a transmissão do bit 0 e do bit 1

para um cenário de baixo ruído (figura superior) e ruído médio

(figura inferior). O eixo horizontal indica a distância entre o

transmissor e o receptor que foi avaliada em 3 diferentes circuns-

tância: 1m, 5m e 10m dentro de uma residência.

No segundo cenário (ruído médio) é possível

ver para a distância de 1m no bit 0 uma SNR inferior

a 5dB. Para este mesmo teste a transmissão na

frequência do bit 1mantevê-se próxima a 30dB. Este

efeito indesejável pode ser explicado pela

contaminação de um ruído próximo à frequência de

transmissão do bit 0. Como o bit 1 é transmitido em

uma frequência 10kHz acima, ele não é tão

contaminado pelo ruído gerado. Isto demonstra a

influência dos eletrodomésticos na rede e o efeito

seletivo em frequência do canal. Nota-se também que

para os testes onde a distância é 5m e 10m, esta

interferência desaparece. Isto acontece porque

provavelmente o eletro-eletrônico que gerava a

interferência foi desligado devido a ação aperiódica

que estes elementos podem ser requisitados pela ação

humana demonstrando a variação temporal do canal

de transmissão. Mais uma vez é possível ver a SNR

relativamente constante apesar do aumento da

distância entre transmissor e receptor.

Os resultados analisados mostram que apesar da

baixa taxa de transmissão, a tecnologia PLC é eficaz

e pode ser usada em ambiente residencial para um

sistema AMI ou micro-rede que demanda uma baixa

traxa de transmissão de dados.

Agradecimentos

Este projeto foi financiado pela FAPEMIG

(processo APQ-02410-12). Os autores também agra-

decem o suporte dado pela Texas Instruments e ST

Microelectronics.

Referências Bibliográficas

Zimmermann, A. e Dostert, K (2002). A Multipath Model

for the Powerline Channel. IEEE Transactions on

Communications, Vol. 50, No. 4, pp. 867-857.

Amin, S. M. e Wollenberg, B. F (2005). Toward a smart

grid. IEEE Power & Energy Magazine, Vol. 82, No.

7, pp.34-42.

CENELEC, European Standard EN50065: “Signalling on

low-voltage electrical installations in the frequency

range 3 kHz to 148.5 kHz”, 2001.

Gungor, V.C. e Lambert, F.C (2006). A survey on

communication networks for electric system

automation. Computer Networks, Vol. 50, pp. 877–

897.

Cunjiang, Y.; Huaxun, Z.; Lei, Z (2012). Architecture

Design For Smart Grid. Energy Procedia, Vol. 17, pp.

1524–1528.

Cavdar, H. e Karadeniz, E (2008). Measurements of

Impedance and Attenuation at CENELEC Bands for

Power Line Communications Systems. Sensors, Vol.

8, pp.8027-8036.

Kurose, James F.; Ross, Keith W (2012). Redes de

Computadores e a Internet - Uma Abordagem Top-

down . Pearson, 6ª ed, São Paulo.


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